04 Pohon: Trojfázový MOS můstek určuje výstupní krouticí moment spoje

Obrázek 5: Vodiče třífázového motoru jsou centrálně připojeny k výkonové části MOS, kolem které jsou uspořádány vzorkovací rezistory, budiče a filtrační komponenty.

 

Tento společný budič je určen pro třífázové bezkartáčové motory. Vysoce výkonné řízení třífázových BLDC motorů obvykle vyžaduje tři poloviční můstky, které tvoří třífázový střídač s minimálně šesti výkonovými MOSFETy. Více MOS součástek ve velkém pouzdřemůžebýt spatřen na desce plošných spojů obklopující pájecí body třífázového výstupu, což je v souladu s touto architekturou.

 

Provozní logiku třífázového můstku lze zjednodušit následovně:

Napětí z baterie nebo sběrnice je přiváděno přes P+ a P-; Vysokorychlostní spínání polomůstků MOS převádí stejnosměrné napětí na trojfázový proud;

Trojfázový proud teče do vinutí motoru a generuje rotující magnetické pole; regulátor průběžně upravuje pracovní cykly PWM na základě polohy enkodéru a proudové zpětné vazby;

V konečném důsledku umožňuje kloubu dosahovat cílového točivého momentu, rychlosti nebo polohy.

Špatný návrh této sekce povede k několika typickým problémům: nadměrnému zahřívání MOS tranzistorů, chvění při nízkých otáčkách, silnému zvlnění momentu, falešnému spuštění ochrany proti nadproudu a rušení EMI ovlivňujícímu enkodéry nebo komunikační obvody. Z tohoto důvodu je návrh výkonových desek pro klouby robotů mnohem náročnější než u běžných desek s ovladači malých motorů.

 

Obrázek 6: Na desce je vidět regulátor napětí TLV767, spolu s induktory, kondenzátory a několika nízkonapěťovými výkonovými součástkami.

Za analýzu stojí i schéma napájecího zdroje. Na desce plošných spojů jsou viditelné LDO regulátory, jako je TLV767, a výkonové cívky označené „100“. Vzhledem k aplikaci spojů s jmenovitým napětím 48 V lze usoudit, že je nepravděpodobné, že by byl nízkonapěťový systém přímo snižován z vysokého napětí pouze pomocí LDO. Místo toho je použita architektura napájecího zdroje podobná následující:

Vysokonapěťová sběrnice → Spínací krokový převod → Nízkonapěťové kolejnice (5V / 3,3V atd.) → Sekundární regulace LDO / lokální filtrování šumu

Tato architektura napájení je racionálnější. Mikrokontrolér, enkodér, vzorkovací zesilovače a komunikační transceivery vyžadují čisté a stabilní nízkonapěťové napájení, zatímco MOS spínače a fázové vodiče motoru generují intenzivní šum. Pokud nízkonapěťové napájení postrádá dostatečný výkon proti rušení, prvními poruchami, které se objeví, obvykle nejsou poruchy motoru, ale náhlé úhlové skoky, výpadky komunikace nebo kolísání odečtů vzorkovacího proudu.

05 Snímání proudu a teploty: Klouby robotů musí monitorovat výstupní točivý moment v reálném čase

 

Obrázek 7: Pod třífázovou napájecí částí je umístěno několik nízkohodnotových snímacích rezistorů R001.

Součástky R001 jsou na této desce klíčové a představují nízkohodnotové snímací rezistory na úrovni miliohmů (obvykle 1 mΩ), které se používají k měření fázového proudu motoru nebo proudu sběrnice. Snímání proudu tvoří jádro řízení robotických kloubů v uzavřené smyčce, protože výstupní točivý moment BLDC motoru silně koreluje s jeho fázovým proudem.

Jinými slovy, regulátor „neodhaduje“ výstupní krouticí moment kloubu; místo toho vypočítává proud měřením malého úbytku napětí na snímacích rezistorech:

Úbytek napětí na snímacím rezistoru → Zesílení a filtrování → Vzorkování ADC → Výpočet proudu → Řízení momentu optického vlákna

Přesnost tohoto signálního řetězce přímo ovlivňuje:

Přesnost regulace momentu: Pokud je odhad proudu nepřesný, bude nepřesný i výstup momentu.

Hladkost při nízkých rychlostech: Vysoký vzorkovací šum má tendenci způsobovat chvění při nízkých rychlostech.

Ochrana proti nadproudu: Pomalá odezva může spálit MOSFETy, zatímco příliš citlivé nastavení vede k falešným spuštěním ochrany.

Strategie tepelného řízení: Dlouhodobě vysoký proud vede k současnému nárůstu teploty vinutí motoru, MOSFETů a proudově snímacích rezistorů.

Z hlediska uspořádání zkracuje umístění proudově snímacích rezistorů blízko MOSFETů a fázového zapojení smyčku s vysokým proudem, což pomáhá snížit parazitní indukčnost a chyby vzorkování. V blízkosti každé fáze je uspořádáno velké množství malých rezistorů a kondenzátorů, které se obvykle používají pro tlumení hradla, filtrování vzorkování, stabilizaci budiče a lokální oddělení.

Detekce teploty je stejně nezbytná. Označení MOTOR NTC označuje termistor instalovaný uvnitř motoru nebo v blízkosti vinutí. U kloubů humanoidních robotů dochází k výraznému zvýšení teploty při nízkých otáčkách a vysokém točivém momentu, prodlouženému statickému zastavení a přechodným nárazům při vstávání nebo dřepění. NTC umožňuje řídicí jednotce provádět tři klíčové funkce založené na teplotě:

Omezení proudu: Snižte maximální výstupní proud s rostoucí teplotou; Snížení výkonu: Omezte špičkový točivý moment při trvalém vysokém zatížení;

Ochranné vypnutí: Přepnutí do poruchového režimu, jakmile teplota překročí bezpečnostní prahovou hodnotu.

Toto je také základní vlastnost, kterou musí mít profesionální robotické klouby. Bez regulace teploty v uzavřené smyčce nemůže kloub spolehlivě fungovat po delší dobu, a to i přes vysoký špičkový točivý moment.

06 Detekce polohy: Duální magnetické enkodéry a převody převádějí úhly z jednoho otočení na víceotáčkové odečty polohy

Po odstranění desky plošných spojů (PCBA) je na zadní straně vidět sada malých ozubených kol. Nejedná se o hlavní redukční převody, ale o pomocné mechanismy určené pro detekci úhlu.

 

Obrázek 8: Oblast převodovky a magnetického enkodéru na zadní straně řídicí desky

 

Obrázek 9: Otáčení centrálního hřídele pohání dva sousední pastorky, aby se otáčely synchronně.

Konstrukčně pohání dvě malá ozubená kola rotace centrální hřídele. Uprostřed každého malého ozubeného kola je umístěna magnetická součástka s integrovanými obvody magnetických enkodérů namontovanými na odpovídajících pozicích na zadní straně desky plošných spojů. Magnetické enkodéry měří úhlové změny magnetických polí, čímž eliminují potřebu optických mřížkových disků. Jsou odolné vůči drobnému znečištění olejem a prachem, takže jsou vhodnější pro plně uzavřené spoje robotů.

 

Obrázek 10: Struktura s dvojitým převodem a dvojitým enkodérem zlepšuje úhlové rozlišení a umožňuje detekci polohy s více otáčkami.

Nejvíce zde vyniká konfigurace „dvojitý převod + duální magnetický enkodér“. Její hodnota dalece přesahuje pouhé přidání druhého senzoru pro vyšší přesnost; s největší pravděpodobností je navržena tak, aby realizovala víceotáčkové schéma kódování absolutní polohy:

Jeden magnetický enkodér přesně měří úhly v rozsahu 0–360°;

Kloub se však může otáčet o několik otáček a jednootáčkový kodér nedokáže sám určit počet otáček;

Pokud mají dva ozubená kola různý počet zubů nebo převodové poměry, tvoří korelaci podobnou noniu;

Kombinací dvou úhlových hodnot vypočítává řídicí jednotka absolutní polohu v mnohem širším rozsahu.

Tato konstrukce přináší humanoidním robotům velkou hodnotu. Po vypnutí napájení se nohy, paže nebo pasové klouby mohou vlivem vnějších sil posunout. Po opětovném zapnutí napájení trpí klouby vyžadující rozsáhlé pohyby zpět do výchozí polohy nízkou účinností a představují bezpečnostní riziko. Víceotáčkové snímání absolutní polohy umožňuje kloubům okamžitě načíst data o poloze, jakmile je napájení obnoveno.